Aplicación de la Microscopía de Fuerza Atómica en la investigación de materiales Mary Cruz Reséndiz González
Aplicación de la Microscopía de FuerzaAtómica en la investigación de materiales
Mary Cruz Reséndiz González
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i. Introducción a SPM
ii. Partes de un SPM
iii.Historia
iv. Forma más común de SPM
a) Modos de operación
v. Aplicaciones de SPM
vi. Conclusiones
Introducción a SPM
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Técnicas de microscopía en las cuales una punta delgada ycon terminación extremadamente fina, monitorea lasuperficie de una muestra registrando la interacción entre lapunta y la muestra a fin de obtener una imagen de lamorfología y estudiar sus propiedades.
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Partes de un SPM
escáner
punta
cantilever
cabeza
software
Historia de SPM
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G. Binning and H. Rohrer,Ch. Geber and E. Weibel. Physical Review Letters, 49, 57 (1982)
“Por el diseño del Microscopio de Tunelamiento”
Gerd BinnigHeinrich Rohrer
Premio Nobel en Física 1986
Átomos de Xe sobre una superficie de Ni
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Innovación e Historia
Torsional Resonance Mode
High Temp Polymer Imaging
Electrical Apps Modules
PhaseImagingTM
AndLiftModeTM
Closed-Loop SPMand
1st Life Science AFM
TappingModeTMAFM Force
Spectroscopy
Single Harmonic Imaging
HarmoniXTM Material Mapping
DimensionIcon
BioScope Catalyst
2009
MIRO Image Reg. & Overlay
Algunas configuraciones para investigación:
Caliber
Innova
Multimode
Dimension Icon
Bioscope Catalyst
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Equipos totalmente automatizados:
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Técnica ó
Microscopía
Interacción registrada Información obtenida
STM Corriente de tunelamiento
Topografía tridimensional: tamaño, forma y
periodicidad detallada, rugosidad de la superficie.
Estructura Electrónica, y posible identidad elemental.
AFMFuerzas Interatómicas e
intermoleculares
Topografía tridimensional: tamaño, forma y
periodicidad de detalles, rugosidad superficial
MFMFuerzas Interatómicas y Fuerzas
intermoleculares Dureza y elasticidad de la superficie localizadas.
LFM Fuerzas de fricción Diferencias de adhesion y fricción localizadas.
MFM Fuerza Magnética Tamaño y forma de detalles magnéticos. Fuerza y
polaridad de campos magnéticos localizados.
SThM Transferencia de calorDiferencias en Conductividad térmica entre detalles
superficiales.
EFM Fuerzas Electrostáticas Gradientes de Fuerza Electrostática en la superficie de
la muestra debida a concentraciones de dopante.
NSOMReflexión, absorción y
Fluorescencia de luz Propiedades ópticas de la superficie.
• No solo topografía!
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Acrónimos…
• Magnético & Eléctrico
• MFM
• EFM
• SP
• C-AFM
• TUNA
• SSRM
• SCM
• PFM
• Mecánico:
• Fase
• FMM
• Force Volume
• Nano-Indentación
• LFM or FFM
• HarmoniX
Térmico:– SThM– TA
Modos especiales:– Modo-TR– Q-control– Nanolithografía– Nanomanipulación– TERS
Electrochemical– EC-AFM– EC-STM– SECPM
Retroalimentación que mantiene constante la deflexión del cantilever
Electrónica del Controlador
Scanner
Cantilever & punta
Muestra
Electrónicadel Detector
Fotodiodo del detector
láser
AFM: forma más común de SPM
Principales modos de operación:
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• Modo Contacto
• Modo Contacto intermitente o Tapping
• Modo
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13
La importancia de la punta..
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Aplicación de SPM a superficies metálicas
• Morfología & Rugosidad
• Paraámetros de proceso y deposición
• Espesor de películas delgadas
• Pruebas Mecánicas
• Nanoidentación
• Instrumentos para observar flexión, tensión, y estrés por compresión
• Compositos
• Distribución de fases de materiales
• Corrosión
• Estudios en celdas electroquímicas In situ
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¿Porqué usar AFM para analizar morfología?
• Estudiar partículas individuales directamente de la escala nanométrica a ~100 micras
• Resolución: 1-5nm lateral, <0.05nm vertical
• Provee información tridimensional
• Preparación simple de muestra
• Analiza aislantes y conductores
• Opera en medio ambiente y líquido
• Investiga fuerzas superficiales e interacciones
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Tamaño de partícula: partículas de titanio
muestra cortesía de T. Matsoukas, D. Vorkapic, Penn. State Univ.
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muestra cortesía de T. Matsoukas, D. Vorkapic, Penn. State Univ.
Tamaño de partícula: partículas de titanio
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Imagen de Fase
Medición simultánea durente el modo Tapping
El retraso de faseentre la oscilacióndel cantilever y laseñal de oscilaciónenviada al piezo,son monitoreadasy registradas paraestablecerdiferencias, comoadhesión yviscoelasticidad.
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Partículas de titanio recubiertas
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Distribución en compositosPartículas de arcilla en papel
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Soldadura de SnPb
Cortesía de Donovan Leanord, Phil Russell, North Carolina State University
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EFM en polipropileno con 10% de carbono
3x3 m
Topografía EFM Fase
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No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
• fase
• nano-identación
• fricción
• elasticidad
• acústica
• respuesta piezo-eléctrica
• …..
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EC AFM para el estudio de la corrosión
J. Electrochemical Society 2004 151 B319. Yong Hwan Kim, … Won Sub Chung*Pusan National University, Korea
La prevención de lacorrosión es de granimportancia económica.El entendimiento de sumecanismo esfundamental para suinhibition. El modoECAFM del multimodo seusó en conjunto conmétodos electroquímicostradicionales parainvestigar las etapas delmecanismo de corrosiónde una superficierecubierta de zinc.
Series de imágenes ECAFM in-situ de zinc en agua destilada.
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Estudio de una batería de litio por EC AFM
Se estudió el potencial de K2FeO4 y BaFeO4 como materiales electrodo para baterías recargables de litio.
Se evaluó la inserción del ion litio en estos compuestos, así como la dependencia en morfología y su comportamiento electroquímico.
Imágenes de AFM in situ de una película delgada de K2FeO4 en LiClO4 1M
Maxim Koltypin, Stuart Licht*, Israel Nowik, Ran Tel Vered, Elena Levi, Yosef Gofer, and Doron Aurbacha*J. Electrochem. Soc. 2006 153 A32
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Cu 5x5μm Co 2x2μm
Fe 2x2μm Ni 2x2μm
Imágenes cortesía de Batric Pesic, Universidad de Idaho
Morfología de Cu, Co, Ni y Fe electrodepositados
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Co Height 5x5μm
Co Height Co MFM
Co 2x2 μm
Imágenes cortesía
de Batric Pesic,
Universidad de
Idaho
Auto-Ensamble de Co duranteelectrodeposición
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No solo topografía…
• Eléctrica
• dopantes,carga, resistividad, campo eléctrico, potencial, corriente
• Térmica
• temperatura
• Magnética
• Campo magnético
• …..
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Cortesía de D. Leonard and P. Russell North Carolina State University
Barrido de 7.5µm
Depresiones y ángulos de diferentes límites de grano
=> - límites de granoenergías de
superficie- coeficiente de
difusión de superficie
Diferente orientación de los cristales
Superficie de alúmina grabada térmicamente
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Microscopía de Fuerza Magnética de Perlita
10μmAltura Magnética
Cortesía de Donovan Leanord, Phil Russell, North Carolina State University
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Potencial de superficie en Al
Topografía (a) e imágenes SP (b) de una muestra de aluminio. Barrido de 8.8µm
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EFM de composito Cu-Epoxy
9.71μm Scan
Altura Electrostática
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EFM en transistor saturado
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Altura EFM Fase, lift
EFM en Polipropileno modificadollenado con carbono
3x3 m
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EFM en PANI en PMMA
muestra cortesía de Matthew Housley, UCSBVoltaje: 5V
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Potencial de superficie: Tungsteno en Silicio
Topografía (izq.) e imágenes SP (der.) de tungsteno islas sobre silicio. Las regiones obscuras corresponden a un potential bajo en la imagen SP Barrido de 76µm.
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No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
• nanomanipulación
• nanoidentación
• nanolitografía
• …..
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Barrido de 900nm x 500nm, nanotubos de carbono
Nanomanipulación de CNT
1. Obtenida en modo Tapping
2. Manipulación en modo Contacto
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Tamaño de barrido 900nm x 500nm, nanotubos de carbono
Nanomanipulación & Nanolitografía
1. Nanomanipulación 2. Nanolithografía
Tamaño de barrido de 4µm x 4µm, canal formado en Si con oxidación anódica (G. Jones, Uni Cambridge, UK)
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• Identaciones con varias
fuerzas usadas para
probar el filo y la
orientación de las puntas
de diamante montadas en
los cantilevers de
identación.
Identaciones en una rejilla de oro de 1µ2.
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Identaciones en dos películas diferentes de DLC
• Tres fuerzas diferentes aplicadas (23, 34, and 45µN) con cuatro
identaciones hechas con cada fuerza
• Cada película fué identada usando la misma fuerza y cantilever a
fin de comparar la dureza
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No solo topografía…
• Materiales/Mecánica
• Experimentos con temperatura controlada
• Control de atmósferas…..
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Estudios de transiciones térmicas en polímeros
T=100oC T=110oC T=125oC
T=140oC T=160oC T=100oC
fusión & cristalización de polipropileno sindiotáctico (imágenes de altura)
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AFM a temperaturas elevadas
En aire
En He
290C 1400C 1600C
290C 1600C 2000C
3 m
5 m
Capa ultrafina de PMMA-PS copolímero (imagen de fase)
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Fusión y recristalización de PEO
Ciclo de fusión y
recristalización. antes
(izq.) & después (der).
Imágenes de 8x8µm
en modo Tapping.
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15 m
-6°C -13ºC -18ºC
-25ºC -28ºC -30ºC
Cristalización de polidietilsiloxano (PDES)
Estudios de AFM a bajas temperaturas
También para biomateriales..
• AFM provee:
• Alta resolución en caracterización de superficies y propiedades mecánicas antes y durante la síntesis de un material (sintético o natural)
• Biocompatibilidad de tejidos, entre el material artificial y su interacción con el material biológico (proteínas, celulas, etc.)
• AFM puede usarse para determinar:
• Cambios en la superficie de implantes y sus propiedadesmecánicas antes y después de usarse
• Estos análisis son importantes en:
• Investigación y desarrollo
• Control de calidad
• Análisis de fallas
Ventajas..
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• Operación en fluidos “real”
• Operación con amplio rango de temperatura
• Alta resolución, datos tridimensionales
• Capacidad de mediciones dinámicas(por ejemploestimulo-respuesta)
• Pruebas no destructivas
• Capacidad de medición de fuerzas del órden de pNw
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LifeScience examples: from large to small
Large scale image of endothial cells, and high magnification image of GroEs proteins
65x65 um scan 78x78 nm scan
5050
Bone Architecture: Human Cortical Bone
1 m scan
• The collagen fibrils have a periodic pattern of 70 nm.
• Hydroxyapatite particles are also visible
Courtesy of R. Railsback and D. Nicollela, Southwest Research Institute
5151
Using AFM to Diagnose Diseased Cartilage
healthy osteoarthritic
Courtesy of M. Stolz, Aebi Group, U. of Basel,
M.E. Mueller-Institute for Structural Biology
Mol. Biol. Cell (1999) 10: 145a, ~5 µm scans
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Contact lenses (worn gas permeable)
After injecting cleaning solution
After rubbing in cleaning solution
Contact Mode30 µm scans
Before
Conclusión:
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• Las técnicas de SPM son complementarias entre sí.
• Permiten estudiar morfología y propiedades:
a) Elucidación de micro/nanoestructuras(compromiso estructura/estado de la punta).
b) Proporcionan evidencia de defectos o dislocaciones en la estructura cristalográfica.
c) Diferenciación química en moléculas orgánicas
d) Aplicación en control de calidad industrial
• Tienen aplicación en: física de la materia condensada, biología, biotecnología, metrología y ciencia de materiales.
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Gracias por su atención..